Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Оборудование и материалы для производств неорганических веществ. Учебно-методическое пособие
.pdf
Отдельной группой неорганических неметаллических материалов можно рассматривать бетон – искусственный каменный материал,
состоящий из вяжущего, песка, воды и щебня. По виду вяжущего, по
ГОСТ 251902-2012, бетоны подразделяют на цементные, известковые, шлаковые, гипсовые, специальные (например, полимербетоны,
бетоны на магнезиальном вяжущем). Бетон используют для изготовления емкостного оборудования больших объемов, а также он является основным конструкционным материалом при строительстве промышленных зданий и других объектов.
С целью направленного регулирования эксплуатационных характеристик бетонов и растворов или придания им новых свойств
в процессе приготовления в бетонные смеси вводят различные добавки. Согласно ГОСТ 24211-2008 добавки, регулирующие свойства бетонов и растворов, классифицируют:
– на регулирующие кинетику твердения (ускорители, замедлители);
– повышающие прочность;
– снижающие проницаемость;
– повышающие защитные свойства по отношению к
арматуре;
– понижающие морозостойкость;
– повышающие коррозионную стойкость;
– расширяющие.
В качестве добавок используют как органические, так и неорганические вещества.
Для упрочнения конструкций в бетон вводят металлическую
арматуру, получая таким образом железобетон. Сталь и бетон хорошо
дополняют друг друга, сочетая высокую прочность на сжатие (бетон)
с высокой прочностью на растяжение (сталь). Благодаря одинаковому
тепловому расширению железобетоны имеют преимущества над другими силикатными строительными материалами.
Многие процессы в технологиях неорганических веществ и ма-
стальной
териалов протекают при высоких температурах, например разложение
карбонатных пород, горение топлива, сжигание серы, процессы декарбонизации, обжига, плавления, спекания и др.
Огнеупорные материалы – это неметаллические материалы, которые способны сохранять механическую и химическую стойкость и
выполнять свои функции при температурах не менее 1580 °С. Их основная характеристика – огнеупорность, т. е. способность противосто-
31
ять, не расплавляясь, действию высоких температур. Огнеупоры представляют собой керамические смеси тугоплавких соединений, которые
изготовлены на основе минерального сырья. Формованные в виде
блоков, кирпичей и плит огнеупорные материалы используют в кладках стен, сводов, подов печей, сушилок, для футеровки реакторов, генераторов, двигателей и других высокотемпературных агрегатов. Неформованные огнеупорные массы используют для заполнения швов, в
качестве засыпки между металлическим корпусом и неметаллической
кладкой печей, нанесения защитных покрытий на металлы и другие
материалы. При добавлении к ним специальных вяжущих и наполнителей получают огнеупорные бетоны, которые применяют для изготовления монолитных конструкций сложных форм.
Огнеупоры в зависимости от химического состава делятся на
следующие основные группы:
1. Кремнеземистые. Основным компонентом в них является SiO
2
> 90 %, а материалами – динас, кварц.
2. Алюмосиликатные. Основные компоненты – SiO
и Al2O3, а
2
материал – шамот.
3. Магнезиальные. Основной компонент – MgO, материал –
магнезит.
4. Углеродсодержащие. Основной компонент – С, материал –
кокс, графит.
5. Цирконовые. Основной компонент – ZrO
, материал – бадде-
2
леит.
6. Бескислородные (карбидные, боридные, нитридные). Основными компонентами этих огнеупоров являются карбиды, бориды,
нитриды, силициды d-металлов. Многие из этих соединений обладают
очень высокими температурами плавления, например: TiB
ZrB
ния), MoSi
= 3050 °C, ZrC = 3540 °C, TiN = 2950 °C, TaN = 3100 °C (разложе-
2
= 2020 °C
2
= 2900 °C,
2
По температурному диапазону применения огнеупорные мате-
риалы делятся на следующие группы:
– огнеупорные, их применяют в диапазоне температур 1580–
1770 °C;
– высокоогнеупорные, их применяют в диапазоне тем
1770–2000 °C;
– высшей огнеупорности, применяют при температурах от
до 3000 °C.
– сверхогнеупорные, применяют при более 3000 °С.
32
ператур
2000
Для сохранения постоянства температуры в аппаратах, трубопроводах, уменьшения потерь теплоты (или холода), технической изоляции изделий выпускаются различные теплоизоляционные материалы.
Теплоизоляционные материалы – это материалы и изделия, которые обладают малой теплопроводностью. Теплопроводностью называется перенос тепла в материале за счет движения молекул. Теплоизоляционные материалы замедляют движение молекул. Для численной оценки теплопроводности применяют коэффициент теплопроводности. Коэффициент теплопроводности λ равен количеству теплоты,
проходящей через материал толщиной 1 м и площадью 1 м2 за час при
разности температур на двух противоположных поверхностях в 10 оС.
Измеряется коэффициент в Вт/(м·К) или Вт/(м·С). Согласно ГОСТ
16381-77 теплоизоляционные материалы должны обладать теплопроводностью не более 0,175 Вт/м·К.
По химическому составу теплоизоляционные материалы делятся
на органические и неорганические. Из органических широкое применение получили пенопласт, пенополиуретан, вспененный полистирол.
Недостатками органических материалов являются их горючесть и токсичность. Неорганические материалы являются более безопасными,
особенно если они изготовлены из природных минералов. Из неорганических теплоизоляционных материалов распространены минераловатные (стекловата, минеральная вата, шлаковата) и пористые материалы на основе силикатной керамики, например диатомовый кирпич,
изделия из вспененного перлита и вермикулита, пенно- и газобетоны.
Смешанные материалы изготавливают на основе асбеста и минеральных вяжущих веществ.
Сейчас появился новый вид теплоизоляционных материалов.
Эковата – это утеплитель, произведенный из макулатуры и различных
остатков от изготовления бумаги и картона.
Прокладочные и набивочные материалы применяют для герметизации разъемных соединений. Прокладки устанавливают между
фланцами. Материал для прокладок выбирают с учетом рабочего давления, температуры и агрессивности среды, а также стоимости и доступности самого материала. Чаще используют неорганические неметаллические материалы – асбест и композиты на его основе (парониты), а также органические – картон, резину, полиэтилен и пластмассу.
Для уплотнения соединений аппаратов, работающих под высоким давлением, применяют металлические прокладки из мягких металлов –
свинца, меди, алюминия.
33
Набивки и набивочные материалы применяют в сальниковых
уплотнениях. Они могут быть изготовлены в виде пряжи, волокна, порошка либо сплетены в шнуры или проволоку. Для набивки используют:
– волокнистые натуральные материалы – пеньку, асбест, и искусственные – стекловолокно, полимерные волокна;
– порошки – графит, а также мягкие металлы – медь, бронза,
свинец, олово;
– различные композитные материалы.
Несмотря на огромные области применения неметаллических
материалов, сегодня металлы остаются основным видом конструкционных материалов. Они являются прочными, плотными, долговечными, надежными и доступными.
К металлическим конструкционным материалам относятся
стали углеродистые и легированные, чугуны, цветные металлы и
сплавы.
Для работы в слабоагрессивных средах при незначительных
температурах широко используют углеродистые стали. Стали углеродистые бывают обыкновенными и качественными, содержание углерода в них находится (в среднем) в диапазоне 0,06–0,6 % (максимум
до 2,1 %) и, согласно ГОСТ 380-2005, указывается в маркировке целыми цифрами, но отвечает содержанию в десятых (или сотых) долях
процента. Например, Ст3 – самая распространенная марка углеродистой стали обыкновенного качества, содержит 0,3 % углерода.
Сталь08 – сталь углеродистая качественная, содержит 0,08 % углерода. Наряду с железом и углеродом в этих сталях допускается содержание других металлов – никеля, хрома, меди, марганца, а также неметалла – кремния. Содержание никеля, хрома и меди доходит в углеродистых сталях обыкновенного качества до 0,3–0,4 %, кремния до
0,5 %. Содержание марганца может достигать 1,2 %. Примеси серы,
фосфора и газов (кислорода, азота, водорода) также могут содержаться в углеродистых сталях и значительно ухудшают их эксплуатационные характеристики. Содержание их нормируется: серы не более
0,06 %, фосфора не более 0,07 %, азота не более 0,013 %. В углеродистых сталях нормируется также содержание оксида железа, т. е. степень раскисления, чем меньше количество FeO, тем выше качество
стали, ее механические и технологические характеристики.
Углерод оказывает основное влияние на свойства стали. С увеличением его содержания повышаются твердость и прочность, но
уменьшаются пластичность и вязкость. Это объясняется тем, что при
34
содержании углерода более 0,9 % в сталях образуется твердая и хрупкая составляющая – цементит Fe
3
C.
Углеродистые стали достаточно устойчивы в концентрированной серной кислоте (при концентрациях более 70 % и температуре до
60 °С), слабощелочных растворах и растворах некоторых солей. Вместе с тем обладают недостатками, ограничивающими их применение:
высоким коэффициентом теплового расширения, низкими электротехническими свойствами, низкой коррозионной стойкостью в агрессивных средах и при высоких температурах, снижением прочности при
повышенных температурах, чувствительностью к перегреву.
Легированные стали. Для изготовления материалов, которые
работают в агрессивных условиях и при высоких температурах, к железу добавляют другие металлы, т. е. легируют. В качестве легирующих добавок могут быть использованы все d – металлы периодической
системы элементов, а также кремний. В маркировке их обозначают
буквами русского алфавита. Например, марганец (Mn) – Г; кремний
(Si) – С; хром (Cr) – Х; никель (Ni) – Н; медь (Cu) – Д; ванадий (V) –
Ф; ниобий (Nb) – Б; вольфрам (W) – В; селен (Se) – Е; кобальт (Co) –
К; бериллий (Be) – Л; молибден (Mo) – М; бор (B) – Р; титан (Ti) – Т;
алюминий (Al) – Ю. Содержание элемента указывают цифрами в процентах. Цифры с левой стороны букв обозначают содержание углерода: если две цифры – в сотых долях процента, если одна – в десятых
долях процента. Например, сталь 121Х18Н10Т содержит железо,
а также 0,12 % углерода, 18 % хрома, 10 % никеля, менее 1 % титана.
Если содержание элемента менее 1 %, то цифра после буквы не ставится. Например, сталь обозначенная 60С2 одержит 0,60 % углерода,
2 % кремния и остальное – железо. По отношению массы всех легирующих компонентов к массе материала различают стали:
– высоколегированные, с содержанием более 10 %;
– среднелегированные от 2,5 до 10 %;
– низколегированные, менее 2,5 %.
Преимущества легированных сталей по сравнению с углеродистыми заключается в более высоких механических свойствах. Легированием можно изменить и физико-химические свойства стали, получить сталь нержавеющую, кислотостойкую, щелочестойкую, жаропрочную, немагнитную, с особыми тепловыми и электрическими
свойствами. Основными легирующими элементами являются хром,
никель, алюминий, марганец, титан и кремний.
35
Механические свойства стали лучше всего повышают марганец
и кремний, в меньшей степени – никель, еще меньше – хром. Устойчивость к действию агрессивных кислых сред увеличивают никель,
алюминий, кремний. Жаростойкость сталей улучшают добавки хрома
и кремния. Жаропрочность сталей обеспечивается легированием никелем, хромом, молибденом, титаном, ванадием, вольфрамом и другими тугоплавкими металлами. Рабочие температуры жаропрочных
сталей составляют 500–750 оС. Жаростойкие и жаропрочные стали и
сплавы предназначены для изготовления деталей котлов, газовых турбин, реактивных двигателей, ракет, атомных устройств и другого оборудования, работающего в агрессивных средах под нагрузкой при высоких температурах.
Чугун – это конструкционный материал, в составе которого,
также как в углеродистых сталях, содержатся железо и углерод, но
в отличие от последних количество углерода должно быть не менее
2,1 %, а максимальное его содержание достигает 6,7 %. Повышенное
содержание углерода делает чугуны более устойчивыми в агрессивных средах, но снижает их пластичность, вязкость и делает хрупкими.
Различают белый, серый, высокопрочный и ковкий чугун.
В химическом машиностроении широко применяют серый чугун. В маркировке серого чугуна по ГОСТ 1412-85 указывают среднее
значение прочности при растяжении в МПа, например СЧ10 – серый
чугун с прочностью при растяжении 10 МПа, максимальное значение
растяжения серых чугунов составляет 35 МПа, что соответствует марке СЧ35.
В производстве для получения заданной структуры серого чугуна регулируют содержание в нем примесей кремния, марганца, серы и
углерода. Чем больше кремния в чугуне, тем меньше в нем связанного
углерода и тем мягче чугун. В серые чугуны кремний вводят в количестве 1,5–3,5 %. При содержании марганца в пределах 0,5–1,0 % количество связанного углерода увеличивается. Кроме того, марганец связывает серу в MnS, что уменьшает отбеливающие свойства серы. Повышенное содержание фосфора облегчает жидкотекучесть чугуна,
сложные многокомпонентные соединения фосфора с железом и углеродом, называемые фосфидной эвтектикой, обладают высокой твердостью, поэтому чем больше фосфора, тем выше твердость и хрупкость
чугуна. В обычном сером чугуне фосфора содержится 0,3–0,4 %.
Сера в чугунах – вредная примесь, она способствует увеличению связанного углерода (этот процесс называется отбеливанием чу-
36
гуна), вследствие чего понижается жидкотекучесть, увеличиваются
усадка и склонность к образованию трещин. Содержание серы допускается в минимальном количестве (не более 0,1 %).
Чугуны так же, как стали, легируют, вводят другие металлы в
количестве более 3,5 %, например алюминий, никель, медь и хром, для
повышения устойчивости в щелочных средах и неметаллы, например
кремний, для повышения кислотостойкости. Такие чугуны называют
легированными, или специальными.
Цветные металлы – это конструкционные материалы, в которых содержание основного металла (кроме железа) составляет не менее 99 %. Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили алюминий, медь, свинец, титан.
Алюминий обладает малой плотностью (2,69 г/см3), высокой
теплопроводностью и электропроводностью. Это металл легкий, легкоплавкий, мягкий и пластичный. Особенностью алюминия является
образование на его поверхности прочной плотной защитной пленки
оксида алюминия Al2O3, которая защищает материал от воздействия
агрессивных сред, особенно в среде окислителей. В щелочах и разбавленных кислотах защитные пленки растворяются. Согласно ГОСТ Р
55375-2012, который устанавливает требования к химическому составу первичного алюминия, выпускаются технический алюминий марок
А0–А85 с содержанием Al не менее 99,0–99,85 % и алюминий высокой чистоты марок А95–А995 с содержанием Al не менее 99,95 % и
99,995 %.
Медь, в отличие от алюминия, не образует прочных защитных
оксидных пленок, поэтому неустойчива в среде окислителей. В аммиаке, щелочах, бескислородных кислотах (НCl) медь устойчива, но
только в отсутствие окислителей, например воздуха. Плотность меди
8,9 г/см3. Медь обладает высокой электропроводностью (удельное
электросопротивление меди 0,017 Ом·мм2/м), теплопроводностью,
пластичностью и способна работать и сохранять свои свойства в диапазоне температур от –250 до +250 °С. Производят медь марок М0,
М1, М2, М3, М4 с содержанием меди 99,95; 99,9; 99,7; 99,5; 99,0 % соответственно. Значительное количество меди идет на изготовление
сплавов на медной основе.
Свинец образует прочные защитные пленки сульфата свинца и
устойчив в растворах серной кислоты (концентрацией до 80 %) и
сульфатов. У свинца очень высокая плотность (11,3 г/см3), и это делает возможным его применение для защиты персонала и окружающей
37
среды от жесткого излучения. В обозначении марок свинца используют букву С. Согласно ГОСТ 3778-98 выпускают марки С0, С1, С2, С3
с содержанием свинца 99,992; 99,985; 99,95; 99,90 %.
Титан – один из самых дорогих материалов, но область его применения широка. Титан легкий, плотность его почти в два раза меньше, чем у железа, и равна 4,5 г/см3, он тугоплавкий – температура
плавления титана составляет 1668 оС, что почти в три раза выше, чем
у меди и алюминия, и на 200 °С, чем у железа. Титан химически стоек
в кипящей азотной кислоте, в растворах нитратов, хлоридов, карбонатов, карбамида, но разрушается в серной, соляной, плавиковой, фосфорной кислотах. Незначительные (1,5–2 %) добавки титана как легирующего элемента уменьшают вероятность возникновения точечной и
межкристаллитной коррозии.
Титан обладает исключительно высокой коррозионной стойкостью в воде, в том числе в морской, рассолах, и во влажной морской
атмосфере. В табл. 5.1 приведены сравнительные результаты испытаний титана и других металлов и сплавов в синтетической морской воде, в неподвижном (статическом) и динамическом состоянии потока
жидкости. Отмечено, что в потоке жидкости коррозия всех материалов, кроме титана, сильно возрастает, металлы не могут в данных
условиях конкурировать с титаном и его сплавами, поэтому титан является перспективным материалом для изготовления теплообменников с высокими тепловыми нагрузками и большими скоростями движения теплопередающих сред, например кожухотрубчатых теплообменников. Очень широко применяют титан также для производства
выпарных аппаратов и кипятильников. Согласно ГОСТ 19807-74 на
титан и титановые сплавы, обрабатываемые давлением, выпускаются
две марки чистого титана ВТ1-00 и ВТ1-0, которые различаются суммой примесей: 0,58 и 0,84 % соответственно.
Свойства цветных металлов тоже могут быть улучшены введением в их состав других металлов. Таким образом получают сплавы.
Например, для упрочнения алюминий модифицируют добавками меди, магния, марганца и получают дюралюмины. Прочность их в 4–
5 раз выше, чем у чистого алюминия, но добавки разрушают оксидные
пленки и снижают химическую стойкость материала. Для повышения
химической стойкости меди в нее добавляют цинк и получают сплав,
называемый латунь, а для повышения устойчивости к истиранию добавляют олово и получают бронзу. Сплавы титана с цирконием и танталом обладают коррозионной стойкостью, близкой к платине.
38
Таблица 5.1
Материал
Потеря массы за
83 дня, мг/см
2
Кратность
ускорения
Технически чистый титан
0,0
0,0
–
Нержавеющая сталь Х18Н9Т
0,0
0,9
9
Медь электролитическая
4,3
69,1
16,1
Латунь ЛО70–1
4,1
20,1
5,1
Бронза БрОЦ10-2
3,1
25,1
7,1
Дюралюминий Д16
0,7
7,1
10,1
Алюминиевый сплав АМр61
0,6
12,7
21,2
Испытание металлических материалов в синтетической морской
воде в условиях статической выдержки и струевой коррозии
Железо и его сплавы принято называть черными металлами. Все
остальные металлы относят к цветным. Применение цветных металлов
и сплавов по сравнению с черными (стали и чугуны) в химическом
машиностроении незначительно, оно ограничивается их высокой стоимостью, поэтому для изготовления оборудования выпускают двух-
слойные листовые стали. Это материалы, которые состоят из слоев
двух металлов. Например, слоя углеродистой стали, на поверхность
которой различными методами наносят защитный (плакирующий)
слой легированной стали с толщиной листа 0,5–3 мм. В этом случае
основной материал – углеродистая сталь – будет гарантировать механические свойства конструкционного материала, а плакирующий
слой – ее химическую устойчивость к действию агрессивных сред.
В качестве плакирующих материалов применяют также цветные металлы, в исключительных случаях – драгоценные металлы (золото, серебро). Использование двухслойных сталей позволяет значительно
снизить затраты на стоимость оборудования. Но области применения
таких материалов ограничены температурным диапазоном использования, что обусловлено различиями в температурном коэффициенте
линейного расширения обоих слоев.
Широко используют в химическом машиностроении и компози-
ционные материалы (КМ). Композиционные материалы – это искусственные материалы, которые представляют собой гетерофазные системы, состоящие из двух и более компонентов и сохраняющие индивидуальность каждого отдельного компонента, но при этом обладающие свойствами, которых не имеют компоненты, взятые в отдельно-
39
сти. Важными признаком композиционных материалов является наличие границы раздела фаз между компонентами и их неоднородность
в микромасштабе и однородность в макромасштабе. Компонент, являющийся непрерывным во всем объеме КМ или представленный
в объеме, значительно превышающем объем второго компонента,
называется матрицей. Компонент, являющийся прерывистым, разъединенным в объеме КМ, называется армирующим. Указанные признаки позволяют выделить такие материалы в отдельную группу конструкционных материалов – композиционные материалы.
Композиционные материалы по количеству компонентов могут
быть двухкомпонентными и многокомпонентными. Компоненты композиционного материала, как матрицы, так и армирующие, по химической природе могут быть органическими и неорганическими, металлическими и неметаллическими, а также смешанными. По виду армирующего компонента композиционные материалы разделяют на две
группы:
– волокнистые;
– дисперсно-упрочненные.
Главная отличительная особенность композиционных материалов – их высокая прочность. Механизмы упрочнения дисперсноупрочненных и волокнистых КМ различны. Прочность последних
определяет прочность волокон, воспринимающих основную нагрузку.
Количество волокон может достигать до 75 % от объема материала.
В дисперсно-упрочненных КМ прочность частиц не имеет определяющего значения, и количество их незначительно (около 2–4 %), но они
служат барьером на пути движения дислокаций в матрице и упрочняют ее. КМ обладают повышенной жаростойкостью, жаропрочностью и
устойчивостью в агрессивных средах. Эти характеристики делаю КМ
все более востребованными в химическом машиностроении.
При выборе конструкционного материала необходимо учитывать свойства самого материала (химическую стойкость, прочностные
характеристики, стоимость, доступность) и условия, в которых он будет работать (температуру, давление, агрегатное состояние веществ,
их концентрацию, агрессивность, рН и др.). В природе нет идеальных
материалов, абсолютно устойчивых в агрессивных средах, все они
разрушаются либо при механическом воздействии, либо при высоких
температурах, либо в результате коррозии, а чаще – при совместном
действии всех факторов.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]